本文關(guān)鍵詞： 高光譜成像 植物葉片 太陽光譜反射特征 紅外熱特征 仿生材料　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：高光譜成像可分辨目標(biāo)與背景反射光譜特征的細(xì)微差異,已成為一種重要的探測(cè)手段。同時(shí),紅外探測(cè)技術(shù)也在迅速發(fā)展。目前,傳統(tǒng)的偽裝材料已難以對(duì)抗上述探測(cè)技術(shù)�？紤]到植被是最常見的背景之一,我們采用溶液鑄膜法研制了一種能模擬植物葉片太陽光譜反射特征和紅外熱特征的仿生材料,重點(diǎn)研究了其太陽光譜反射特征形成機(jī)制,并基于四光流模型對(duì)其光學(xué)仿生性能進(jìn)行了優(yōu)化。為了解植物葉片的反射特征,我們測(cè)試了多種植物綠色葉片的反射率,結(jié)果表明,它們的反射譜均呈現(xiàn)四個(gè)基本特征:可見光區(qū)域的反射率較低,且在550nm附近出現(xiàn)"綠峰";在680～780nm區(qū)域,反射率急劇上升,形成"紅邊";在780～1300nm范圍內(nèi),反射率維持在40%～60%之間,形成"近紅外高原";1300 nm后,反射率顯著降低,且在1450和1930nm附近呈現(xiàn)水吸收帶。綠色葉片反射譜特征高度相似,但強(qiáng)度差異顯著。為闡明植物葉片反射光譜特征的關(guān)鍵影響因素,我們以不同顏色(綠色和黃色)和不同含水量(新鮮和烘干)的桂花樹葉片為研究對(duì)象,測(cè)試其反射率及組分含量,并基于PROSPECT模型反演葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)N(表示葉片由N層致密層堆疊而成,致密層之間以氣體空間隔開)。結(jié)果表明,與新鮮綠色葉片相比,由于黃色葉片的葉綠素發(fā)生降解,導(dǎo)致其在可見光區(qū)域的反射率顯著增大,且"綠峰"向長波偏移;烘干后的葉片在400～2400nm波長范圍內(nèi)的反射率顯著增大,這可歸因于葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)增大與含水量降低。綜上所述,葉綠素含量、水含量和結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會(huì)顯著影響植物葉片反射譜的特征與強(qiáng)度�；谥参锶~片太陽光譜反射特征的關(guān)鍵影響因素,同時(shí)考慮前人指出的蒸騰作用蒸發(fā)潛熱對(duì)植物葉片熱特征的重要影響,我們研制了一種以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)為主體,以氯化鋰(LiCl)和氧化鉻綠(Cr_2O_3)為添加劑的仿生材料。PVA和LiCl使仿生材料在夜間高濕度條件下吸附空氣中的水蒸氣,在日間低濕度條件下脫水,脫水過程可模擬植物葉片的蒸騰作用,進(jìn)而模擬其熱特征;吸濕材料具有保水性,其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水與綠色顏料Cr_2O_3有助于仿生材料模擬植物葉片太陽光譜反射特征。測(cè)試結(jié)果表明,LiCl含量為12.66 wt%的仿生材料與桂花樹葉片在一天中的最大輻射溫差僅為0.55℃,且兩者反射譜的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.953�？紤]在戶外應(yīng)用時(shí)PVA膜遇水易溶脹甚至溶解,我們以L-蘋果酸為交聯(lián)劑對(duì)其行了改性。為確定合適的交聯(lián)工藝,我們研究了熱處理溫度(100、110和120℃)和交聯(lián)劑添加量(10.00wt%、18.18wt%、25.00wt%和 30.77 wt%)對(duì) PVA膜溶脹度和吸濕量的影響。結(jié)果表明,提高熱處理溫度時(shí),PVA膜的溶脹度和吸濕量均降低,增大交聯(lián)劑添加量時(shí),前者降低但后者提高;熱處理溫度為100℃、交聯(lián)劑添加量為30.77 wt%時(shí),PVA膜的吸濕量達(dá)0.163 g/g,且在水中僅溶脹而不溶解。為闡明仿生材料太陽光譜反射特征的形成機(jī)制,我們研制了 Cr_2O_3含量不同的仿生材料,并采用四光流模型計(jì)算了其干態(tài)下的吸收系數(shù)和散射系數(shù)。結(jié)果表明,Cr_2O_3在460～600nm范圍內(nèi)的吸收谷使仿生材料的反射峰與植物葉片的"綠峰"相似。在近紅外區(qū)域,仿生材料的弱吸收和高散射特性使其能模擬植物葉片的"紅邊"和"近紅外高原"。此外,我們利用光線追蹤模型計(jì)算了濕態(tài)PVA膜的吸收系數(shù),發(fā)現(xiàn)其吸收譜在1450和1930nm附近均呈現(xiàn)強(qiáng)吸收峰,這有助于仿生材料的反射譜呈現(xiàn)水吸收帶。為優(yōu)化材料的光學(xué)仿生性能,我們采用四光流模型計(jì)算了 Cr_2O_3含量不同的仿生材料反射率。結(jié)果表明,Cr_2O_3含量為1.61%(v/v)時(shí),水含量處于9.75%(v/v)～51.92%(v/v)(仿生材料隨日間濕度變化的含水量范圍)之間的仿生材料(0.3mm)的反射譜均處于美軍光譜通道內(nèi),且與桂花樹葉片反射譜的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.945以上。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB391

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本文編號(hào)：1519111